三元共混網線材料斷裂強力試驗研究

劉　嫚， 石建高， 汪征位， 余雯雯， 高　敏， 宋偉華

(1 浙江海洋大學水產學院，浙江省海洋漁業裝備技術研究重點實驗室，浙江 舟山 316022；2 中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090)

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三元共混網線材料斷裂強力試驗研究

劉嫚1， 石建高2， 汪征位1， 余雯雯2， 高敏1， 宋偉華1

(1 浙江海洋大學水產學院，浙江省海洋漁業裝備技術研究重點實驗室，浙江 舟山 316022；2 中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090)

摘要：為給漁用材料的合理選用提供參考，以三元共混網線材料(中高分子量聚乙烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠，MHMWPE/PP/EPDM)作為研究對象，按不同混合比、不同直徑進行網線的斷裂強力及結節強力試驗，分析其相應的強力、延伸性等性能。結果顯示，三元共混網線材料的斷裂強力隨著直徑增大而增加，優于同等直徑普通聚乙烯網線材料，且隨著直徑增大，差異性越明顯，最大差異時三元共混網線材料的斷裂強力為2 091.4 N，是普通聚乙烯的1.8倍；在相同的網線直徑條件下，三元共混網線材料斷裂強力均隨PP含量增加而增加；在相同的直徑下，三元共混網線材料的斷裂伸長率小于普通聚乙烯網線材料，結節損失率高于普通聚乙烯網線材料。三元共混網線材料，雖然斷裂伸長率低、結節損失率高，但強力性能要優于普通聚乙烯，可在漁業生產中推廣應用。

關鍵詞：三元共混材料；斷裂強力；斷裂伸長率；結節損失率；斷裂試驗

網衣是捕撈網漁具和養殖網箱重要的組成部分。捕撈拖網中的網囊在水中易變形、阻力大，不但影響漁獲質量和漁具的使用周期，還造成漁船燃油消耗增多；養殖網箱在海水中經常會受到風、浪、流的影響，造成箱體變形，導致容積減少，減少了養殖魚類的活動空間，使得魚類擁擠，造成擦傷出血從而引發魚病[1]。網衣材料是影響網漁具和養殖網箱性能的主要因子之一，直接關系到兩者的安全性、使用壽命、抗風浪性等。目前，網衣所使用的纖維材料以合成纖維為主，國內外常用的漁用合成纖維主要有聚乙烯纖維、聚酯類纖維、聚酰胺類纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和聚氯乙烯纖維等[2-3]。與發達國家相比，我國在漁用材料品種和質量等方面存在較大差距，如抗老化性差、強度低、低溫易脆斷、收縮率大和尺寸穩定性差等[4]，難以滿足現代漁業生產中遠洋拖網與養殖網具所需的更高承載和更好的抗風浪需求[5]。

中國水產科學研究院東海水產研究所采用三元共混技術制備了高強高韌漁用材料纖維，主要是采用聚丙烯(PP)對中高分子量聚乙烯(MHMWPE)進行共混改性，選取相應低粘度的三元乙丙橡膠(EPDM)作為相熔劑，共混后通過熔融、紡絲、多級后牽伸工藝制備等技術環節制成共混漁用材料(簡稱“三元共混網線”)，可滿足漁業生產要求的高強高韌性能，在保持漁網纖維高結節強力要求下，既能克服上述缺點，又可減小漁網線直徑，提高漁具濾水性，降低水阻力，以實現漁業生產節能降耗。本文通過網線材料干態下斷裂強力試驗研究，比較不同直徑及不同混合比的三元共混材料直線狀態下斷裂強力，探究該種新型材料的強度性能，為合理選用網線材料提供數據參考，對高性能漁用纖維新材料的開發具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗在中國水產科學研究院東海水產研究所進行，試驗樣品為不同混合比PP、MHMWPE、EPDM的4組材料(表1中的樣品A、B、C、D)，同時按照網線直徑大小相似標準，采用普通聚乙烯(PE)對比試驗組樣品4種(表2)。

表1　4組試驗材料中PP、MHMWPE、EPDM的比例

表2　不同規格的網線材料的直徑和線密度

1.2材料制備

(1)采用PP、MHMWPE、EPDM原料按表1不同混合比例均勻混合；(2)經SJ-30×25C單螺桿擠出機，擠出機4區溫度控制為290 ℃、338 ℃、340 ℃和346 ℃，進行熔融擠出噴絲；(3)將噴絲冷卻后的初生絲采用二次牽伸法，以不同的牽伸比進行熱牽伸，制備三元共混單絲材料；(4)采用常規的漁用網線捻制設備和工藝制成三元共混網線材料[6]。

1.3試驗方法

試驗儀器：網線拉伸力學性能試驗采用國產WDW-100型電子式萬能試驗機(量程100 kN，精度0.1%)；網線的長度、直徑和質量分別采用直尺(量程1 m，精度0.1%)、游標卡尺(量程300 mm，精度0.01mm)和電子稱測量(量程5 kg，精度0.01 g)。

試驗內容：測量5種樣品材料的直徑、線密度，以及5種樣品材料無結節和有結節時的網線斷裂強力和斷裂伸長度。將網線試樣繞于夾鉗，將上下兩個夾鉗的距離設定為(250±5)mm，用夾鉗將網線夾緊，試驗機的拉伸速率設定為(500±10)mm/min。開啟試驗機，拉伸試樣至斷裂，記錄斷裂強力(N)和斷裂長度(m)，如果網線試樣在鉗口處滑移，或在鉗口中和鉗口邊緣斷裂，或試驗結果明顯這一組的平均值相差太大時，則必須舍棄這個試驗結果，另加試驗以得到10個“正常值”。

1.4數據處理

試驗所取得的有效數據按數據處理規范進行整理[7]。測試結果以平均值表示，用標準差、變異系數表示測試結果的分散性和測試方法的精確度[8]。具體公式如下：

(1)斷裂強力F[9]：

式中：F—平均斷裂強力，N；Fi—每根試樣斷裂強力，N；n—試驗次數。

(2)標準差S[10]：

(3)變異系數C[10]：

C=S/F

(4)伸長率ε[9]：

ε=(L′/L)×100%

式中：ε—伸長率，%；L′—拉伸后的伸長度，mm；L—拉伸前的初始長度，mm。

(5)結節損失率ζ[11]：

ζ=(F-Fj)/F×100%

式中：ζ—結節損失率，%；Fj—結節強力，N。

2結果

2.1斷裂強力對比

網線在漁業生產過程中會受到拉伸、彎曲、壓縮、摩擦和扭轉作用，產生不同程度的變形，而網線的斷裂強力是反映網具品質和選用時的一個重要技術指標[12]。實驗在標準大氣壓條件下，溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%，分別取樣品A、B、C、D和普通聚乙烯網線(PE)干態無結節與有結節試樣作拉伸試驗，測得斷裂時的最大負荷值。取有效測定10次的算術平均值，測量結果如圖1和圖2所示。

圖1　網線無結節斷裂強力Fig.1　The breaking strength of netting twines without nodules

圖2　網線結節斷裂強力Fig.2　The breaking strength of netting twines with nodules

網線的斷裂強力與纖維材料的種類、網線的直徑、網線的工藝結構等有密切關系。由圖1可見，直徑相同時，三元共混網線材料斷裂強力均大于普通聚乙烯網線材料，這主要是因為三元共混網線材料的單絲結構較普通PE單絲結構發生了變化。與普通PE單絲相比，三元共混網線單絲采用特殊的混紡技術，改善了單絲的拉伸力學性能與內部聚集態結構，使其強度性能優于普通PE單絲[5]。圖1中，隨著直徑的增加，三元共混材料的斷裂強力大大超過普通聚乙烯材料的斷裂強力，最大時是后者的1.8倍(樣品B、C、D)；4種不同混合比的三元共混材料斷裂強力均隨PP含量增加而增加，但直徑增大后，4種混合比三元共混材料的斷裂強力趨近相等。

5種樣品的斷裂強力顯示，網線無結節比有結節的要大，兩者相比大約是1.25～1.76倍。其中，三元共混網線材料無結節比有結節的斷裂強力大的倍數，大于PE材料大的倍數，最大的倍數關系為1.76倍。網線的斷裂強力隨著網線粗度的增加而增加，增加的幅度比直徑增加的幅度要大，即直徑增加1倍，網線斷裂強力和結節強力增加多倍(表3)。從表3可以看出，樣品A的增加倍數為最大，而5個樣品中，無結節網線強力要比有結節的增加倍數略大。

斷裂強力的測試數據標準差都比較小，均在試驗誤差允許的范圍之內[13]，變異系數均小于0.05。

表3　直徑增大1倍時網線的斷裂強力增加倍數

2.2斷裂伸長率對比

表4為5種樣品測定的斷裂伸長度計算處理后得到的斷裂伸長率。

表4　5種規格網線斷裂伸長率的比較

延伸性為網線在拉力作用下產生伸長變形的特性，它是涉及網線材料特性和應用性能的重要因素[14]。由表4可知，樣品A和B的斷裂伸長率隨直徑的增加而增加，而樣品C和D的斷裂伸長率并非如此，說明直徑對三元共混網線材料斷裂伸長率的影響不大。相同直徑下，三元共混材料的斷裂伸長率均小于普通聚乙烯材料，且在直徑最大(3.4 mm)時差異最明顯。造成網線斷裂伸長率差別的原因很多，網線的伸長不僅與制線用基體纖維材料本身的伸長能力、網線的線密度和網線后處理方式等因素有關，還與網線的單絲結構有著緊密聯系。三元共混材料斷裂伸長率變小的原因是高分子鏈在晶區排列緊密有序，使得其高分子鏈段在拉伸時很難伸展或滑移。因此，具有此種結構的三元共混材料的網線延伸性差，表現為相對較低的斷裂伸長率[15]。

2.3結節損失率對比

結節損失率是漁民和漁具材料制造商及研發人員都十分關注的一個力學參量[16-18]。表5是5種材料在不同規格下的網線結節損失情況。

表5　5種規格網線結節損失率比較

一般來說，網線的結節損失率與纖維材料的種類、網線的直徑、網結的類型等有密切聯系。由表5可知，相同條件下，三元共混網線材料結節損失率隨直徑的增大，大體上也呈增大趨勢(材料D除外)，直徑增大對結節損耗的影響，主要是因為直徑增大，其組成的繩紗數也增加，繩紗間排列差異的可能性增大，導致每根繩紗受力不一致，而直徑越大，這種差異對整體的影響也將增大，繩索在結節處內外層的受力差異也會增大，從而增加了結節損耗[19]。在直徑為3.4 mm時，網線結節損失率隨PP比例含量減少而增大，最小時比普通聚乙烯材料網線增加96.54%。

3討論

試驗顯示，三元共混網線材料無結節和結節強力均優于普通聚乙烯網線材料，斷裂強力差異隨直徑增大而越明顯，而網線斷裂伸長率較普通聚乙烯網線材料有一定幅度的降低，結節損失率高于普通聚乙烯網線材料。在保持網線直徑相同的條件下，選擇三元共混材料網線替代普通聚乙烯網線可以有效提高漁具或網箱的強力性能，有利于實現漁具或網箱的大型化、提高作業效率，以及提高作業人員的安全性[20]。

網箱制作時，在保持網線斷裂強力相同的條件下，若采用本試驗中的三元共混網線材料替代普通聚乙烯網線材料，則可有效降低網線的直徑，網片的目腳粗度也隨之降低，進而降低水流對網箱的沖擊力，降低因網衣變形而造成的養殖對象逃逸。此外，網線直徑降低，還可以降低養殖設施生物附著量，提高養殖水體內外交換率，降低養殖對象的疾病發生率，提高養殖經濟效益。

與普通聚乙烯網線材料相比，三元共混網線材料的斷裂伸長率低，結節損失率高，但其網線斷裂強力和結節強力均高于普通聚乙烯網線材料。在相同條件下，使用三元共混網線材料可以增加網線的強力，且網線不易變形，其制成的網具具有較好的穩定性。因此，三元共混網線材料的低斷裂伸長率、高結節損失率，可以通過其強力優勢來彌補。

4結論

海洋漁業的快速發展，對漁用纖維材料的拉伸力學性能提出了更高的要求。纖維材料的強力性能關系到漁具的變形、漁獲物量、使用壽命等。三元共混網線材料在斷裂強力上優于普通聚乙烯材料，與普通聚乙烯相比，雖然其結節損失率高、斷裂伸長率低，但均可通過其強力優勢來彌補。三元共混網線材料其優異的強力性能，滿足了現代漁業生產中遠洋拖網與養殖網具所要求的更高承載和更好抗風浪性能。因此，三元共混網線材料的開發和應用具有廣闊的前景。

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Experimental study on the breaking strength of MHMWPE/PP/EPDM ternary blend netting materials

LIU Man1, SHI Jiangao2, WANG Zhengwei1, YU Wenwen2, GAO Min1, SONG Weihua1

(1FisherycollegeofZhejiangOceanUniversity，KeyLaboratoryofMarineFisheryEquipmentandTechnologyofZhejiang，ZhejiangZhoushan316022,China；2EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai, 200090,China)

Abstract：To furnish reference for fishing materials selection, this study took MHMWPE/PP/EPDM ternary blend material for netting as object, and studied through experiments the breaking strength, nodules breaking strength, etc. of the blends under different mixing ratios and different diameter sizes. The results showed that：the breaking strength of the ternary blend increased with the increasing of the twine diameter, and was better than that of ordinary polyethylene netting twine materials of the same diameter. Besides, as the diameter increased, the difference with ordinary polyethylene materials became more obvious, and when it came to the maximum difference, the breaking strength of the target ternary blend was 2 091.4N, 1.8 times of that of ordinary polyethylene. When the diameter remained the same, the breaking strength of the ternary blend increased with the increasing of pp content. Compared with ordinary polyethylene materials of the same diameter, the elongation at break of the studied ternary blend was lower and the nodules loss rate was higher. Nevertheless, the MHMWPE/PP/EPDM ternary blend as netting twine materials is superior to ordinary polyethylene material in terms of the breaking strength, thus can be promoted and applied in fishery production.

Key words：ternary blending material; breaking strength; elongation at break; nodules loss; fracture test

中圖分類號：S971.2

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9580(2016)02-045-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.02.009

作者簡介：劉嫚(1987—)，女， 碩士研究生，研究方向：現代漁業工程。E-mail：1003987696@qq.com通信作者：宋偉華(1968—)，男，教授，研究方向：設施漁業。E-mail：whsong6806@163.com

基金項目：浙江省自然科學基金(LY14C190005)；浙江省自然科學基金青年基金(LQ14C190002)

收稿日期：2015-11-03修回日期：2016-03-16